偶極高輻射抗型耳機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種耳機(jī)一一具體說是一種前腔與后腔都開放(可以導(dǎo)聲)的開放式耳機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著“新媒體”移動(dòng)終端(智能手機(jī)/平板電腦等)的飛速發(fā)展一一耳機(jī)作為“移動(dòng)式個(gè)人音響系統(tǒng)”，以其免提性/輕量級(jí)/便攜性等優(yōu)勢(shì)，更適合與“新媒體”移動(dòng)終端配合。相對(duì)于微型音響一一耳機(jī)具有個(gè)人專屬性，功率/體積小，便攜性更好。耳機(jī)聆聽屬于“超近聲場(chǎng)” 一一作為主流“新媒體音響”，更應(yīng)該注重健康性。
[0003]“聽診器效應(yīng)”(the Stethophone Effect)--封閉式耳機(jī)外耳道密閉，空氣彈簧勁度Sa丨一聲壓Pa丨一聲阻抗Za丨一聲導(dǎo)納Ya丨(與鼓膜的聲阻抗更匹配)，耳機(jī)振膜可以通過外耳道空氣柱與鼓膜形成“耦合振動(dòng)”(類似于聽診器)一一故其效率高/失真小，但是對(duì)于鼓膜的刺激大，易導(dǎo)致聽覺疲勞/聽力損害。
[0004]一般耳機(jī)為了獲得高效率/低失真以及良好的低頻響應(yīng)，都采用封閉式結(jié)構(gòu)一一但其“頭中效應(yīng)”明顯，無“雙耳效應(yīng)”/ “耳廓效應(yīng)”，聲場(chǎng)效果不自然。開放式耳機(jī)可以避免上述問題--美國(guó)專利 US8638971B2“ Open-air earbuds and methods for making the
same ”采用開放式結(jié)構(gòu)一一有利于降低“聽診器效應(yīng)” / “頭中效應(yīng)”，改善健康性與聲場(chǎng)效果O
[0005]相對(duì)于音箱一一耳機(jī)線度小，全開放式耳機(jī)前/后腔都可透聲，中低頻聲波更容易發(fā)生“聲短路” 一一故一般耳機(jī)并不采用全開放式，而是采用半開放式。半開放式耳機(jī)大多是“前腔封閉/后腔開放”，主要是為了改善低頻響應(yīng)一一前腔(揚(yáng)聲器前側(cè)聲腔)封閉，則效率增加/失真減小(聽診器效應(yīng))；后腔開放，聲順Ca增加，則揚(yáng)聲器fo下降。雖然耳機(jī)的H1-Fi性更好，但其健康性差一一但同封閉式耳機(jī)一樣，易導(dǎo)致聽覺疲勞/聽力損害。
[0006]一些耳機(jī)(如入耳式)前腔開設(shè)泄壓孔，可以降低“聽診器效應(yīng)”，改善健康性與音質(zhì)一一但揚(yáng)聲器聲音泄漏很少，外界的聲音也無法傳入耳朵，聲場(chǎng)效果與封閉式耳機(jī)相似(頭中效應(yīng))。半開放式耳機(jī)(后腔開放)一般采用“導(dǎo)氣孔”設(shè)計(jì)，為改善音質(zhì)往往增加阻尼材料(如不同密度的調(diào)音紙)。如果導(dǎo)氣孔的聲阻抗/聲阻尼過大，則后腔聲波無法發(fā)生衍射一一孔可能會(huì)“導(dǎo)氣”，但不一定會(huì)“導(dǎo)聲”，同樣無法利用揚(yáng)聲器背面的輻射聲能。
[0007]前腔/后腔具有導(dǎo)氣孔(即泄壓孔)或者前腔與后腔都具有導(dǎo)氣孔的耳機(jī)一一聲波不一定能夠傳播出來，可能并非“開放式”耳機(jī)。一些后腔開放(可以導(dǎo)聲)的入耳式耳機(jī)一一前腔開設(shè)導(dǎo)氣孔，由于外部聲壓小/內(nèi)部聲壓大，且導(dǎo)氣孔的聲阻抗/聲阻尼大，后腔的聲波不能通過導(dǎo)氣孔傳入外耳道一一因而無法構(gòu)成“偶極雙向輻射”。
[0008]一般認(rèn)為“聲短路”會(huì)導(dǎo)致輻射效率下降/低頻響應(yīng)變差一一實(shí)際上，“聲短路”還會(huì)影響到音質(zhì)與音色(如結(jié)像力/解析度/聲音質(zhì)感/層次感/動(dòng)態(tài)范圍等方面)。作為“開放式耳塞”(Open-air earbuds)的代表，Apple耳機(jī)強(qiáng)調(diào)佩戴的舒適性與健康性，可以防止“聽診器效應(yīng)”導(dǎo)致的聽覺疲勞與聽力損害。但是Apple耳機(jī)采用后腔具有導(dǎo)聲孔的開放式設(shè)計(jì)，“聲短路”會(huì)對(duì)音質(zhì)產(chǎn)生影響——iPhone4EarbudS直白平淡的聲音被形容為“白開水”。
[0009]由于“聲短路”問題，一般揚(yáng)聲器系統(tǒng)包括耳機(jī)都采用封閉式結(jié)構(gòu)(相當(dāng)于無限大障板)一一雖然避免了 “聲短路”，但卻無法利用揚(yáng)聲器背面的輻射聲能，電聲轉(zhuǎn)換效率低。不同頻率聲波的指向特性不同，低頻聲波的有效輻射角度大，比中高頻聲波更容易發(fā)生“聲短路” 一一 “偶極輻射型”揚(yáng)聲器一般只用于中高頻揚(yáng)聲器系統(tǒng)，而無法用于全頻帶與低頻揚(yáng)聲器系統(tǒng)。
[0010]低頻系統(tǒng)大多采用“亥姆霍茲共鳴器”(如倒相管/無源輻射器設(shè)計(jì))或“波導(dǎo)駐波共鳴器”(如傳輸線型音箱)改善低頻響應(yīng)，同時(shí)利用揚(yáng)聲器背面的輻射聲能一一但聲輻射效率提升的帶寬很窄，僅限于共鳴頻率fop附近。實(shí)際上，倒相箱共鳴頻率fop之外一一揚(yáng)聲器振膜前/后面輻射聲波都可能會(huì)通過倒相管發(fā)生“聲短路”。由于一般無源輻射器質(zhì)量大于倒相管空氣柱聲質(zhì)量，無源福射器音箱的fop (fop = 1/2 π V MaCa)比倒相箱的fop低(Ca相同)，而無源輻射器比倒相管體積小，增加Ma可以減小Ca (fop —定)，則可以減小聲腔體積V—一故無源輻射器更適于耳機(jī)改善低頻響應(yīng)。但是相對(duì)于音箱，耳機(jī)無論采用無源輻射器還是倒相管都更困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本實(shí)用新型目的在于提供一種不易導(dǎo)致聽覺疲勞與聽力損害的健康耳機(jī)一一避免傳統(tǒng)耳機(jī)的“聽診器效應(yīng)”，提升輻射效率與低頻響應(yīng)一一解決開放式耳機(jī)(偶極輻射型)的“聲短路”問題。
[0012]本實(shí)用新型的技術(shù)方案一一采用開放式耳機(jī)結(jié)構(gòu)，耳機(jī)前腔揚(yáng)聲器加載一 “聲聚能管”，“聲聚能管”結(jié)構(gòu)包括反號(hào)筒，以及蝸殼式/阿基米德螺旋線式折疊結(jié)構(gòu)；耳機(jī)后腔殼具有至少一個(gè)導(dǎo)聲孔，導(dǎo)聲孔為通孔，位于后腔殼背面或側(cè)面，孔徑Φ滿足下述要求:ΙΟΟμπι^Ξ Φ < 200 μπι，導(dǎo)聲孔數(shù)量η < 4個(gè)——“聲聚能管”與后腔殼均為剛性材料構(gòu)造。參照?qǐng)D1。
[0013]“偶極高福射抗型耳機(jī)”(the Dipolar Iarge-Xr mode Earphone)--以下簡(jiǎn)稱為
DXEp，可以有效解決傳統(tǒng)開放式耳機(jī)的“聲短路”問題。
[0014]前腔開放一一無論采用何種機(jī)械結(jié)構(gòu)(如耳塞式/耳罩式)，DXEp耳機(jī)前腔都與外界空氣保持連通狀態(tài)，外耳道(耳孔)不被封閉，使外界聲音包括后腔聲波可以傳入外耳道一一可以避免“聽診器效應(yīng)”，以及大動(dòng)態(tài)時(shí)聲壓過大導(dǎo)致的揚(yáng)聲器振膜變形(失真)或損壞。后腔開放一一耳機(jī)后腔通過導(dǎo)聲孔與周圍空氣直接或間接耦合，可以改善低頻響應(yīng)，減小失真(動(dòng)態(tài)性氣壓平衡)。
[0015]DXEp電-力-聲類比圖——揚(yáng)聲器的振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量Mm/支撐系統(tǒng)Cm與后腔聲順Ca/聲阻Ra(Rm/Rr)構(gòu)成“串聯(lián)諧振”；導(dǎo)聲孔的質(zhì)量抗Xm(空氣柱質(zhì)量Mm’)/彈性抗Xe/聲阻尼Da(Rm’)與后腔聲順Ca可構(gòu)成“串聯(lián)共鳴”(亥姆霍茲共鳴器)一一 “聲聚能管”的輻射阻Rr與附加輻射質(zhì)量Mr/聲順Ce構(gòu)成“并聯(lián)共鳴”，耳外聲場(chǎng)開放式結(jié)構(gòu)與外耳道聲順Ca'形成“開路”。參照?qǐng)D2。
[0016]一般耳機(jī)殼壁厚度t彡100ym(Imm)——故導(dǎo)聲孔的長(zhǎng)度L按照L彡100ym計(jì)。耳機(jī)后腔殼壁厚度t丨一導(dǎo)聲孔長(zhǎng)度L丨/孔徑Φ丨；t丨一導(dǎo)聲孔長(zhǎng)度L丨/孔徑Φ丨?？梢愿鶕?jù)具體情況一一設(shè)置導(dǎo)聲孔的孔徑與數(shù)量，調(diào)節(jié)聲阻抗/聲阻尼，獲得不同的延時(shí)效果。
[0017]福射阻抗Zr包括福射阻Rr與福射抗Xr (Zr = Rr+jXr)--福射阻(Rr)表示聲源向介質(zhì)輻射聲能量的能力；輻射抗(Xr)代表“無功聲能”，儲(chǔ)存于近場(chǎng)中，而不輻射出去。一般認(rèn)為，輻射抗(Xr)為“質(zhì)量抗”(Xm)，即“附加輻射質(zhì)量”(Mr)—一實(shí)際上，輻射抗還包括“彈性抗”(Xe)?！百|(zhì)量抗”相當(dāng)于感抗(\)，“彈性抗”相當(dāng)于容抗(X。)。
[0018]“質(zhì)量抗”(Xm)與揚(yáng)聲器系統(tǒng)振動(dòng)的“排氣量”(V)成正比一一 “排氣量”(V)與體速度(U)相關(guān)--V t — u t — Wr t (Wr = U2Za)。
[0019]“空氣彈簧”——聲波為縱波，空氣為彈性媒質(zhì)，在空氣中傳播時(shí)，空氣振動(dòng)產(chǎn)生“容變”(壓縮/膨脹)一一“空氣彈簧”彈性系數(shù)Km丨一輻射阻Rr丨(勢(shì)能一動(dòng)能)，密部(Km ? )—疏部(Rr t )。Km t —彈性抗Xe (容抗Xg) ? —輻射阻Rr ?，則聲壓Pa ? (Pa=uRr) /輻射聲功率Wr ? (Wr = u2Rr/2)，聲輻射效率σ r增加——Xr (Xe/Xm)代表勢(shì)能，Rr代表動(dòng)能，勢(shì)能可以轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。
[0020]頻率f丨一波數(shù)K丨一“空氣彈簧”彈性系數(shù)Km丨一輻射阻Rr丨一Wr丨一一故
“低頻比高頻輻射更困難”。
[0021]號(hào)筒式揚(yáng)聲器(Horn loudspeakers)屬于間接福射式揚(yáng)聲器--“號(hào)筒”即截面積逐漸變化的聲管，實(shí)質(zhì)上就是通過增加輻射抗Xr (Xm/Xe)而提升聲壓Pa/輻射聲功率Wr--故其效率高。
[0022]封閉式耳機(jī)一一雖然外耳道截面積S丨(輻射阻Rr丨)，但輻射抗Xr(Xm/Xe) ? —聲壓Pa ?，故其Wr/ σ r個(gè)。
[0023]DXEp采用“聲聚能管”增加福射抗Xr (Xm/Xe)--“聲聚能管”(Acoustic Energy
Gathered Pipe)是一種具有聲能聚集作用的聲管，可以增加聲壓Pa，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；也可以將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能儲(chǔ)存起來?！奥暰勰芄堋笨梢圆捎锰?hào)筒結(jié)構(gòu)，包括正號(hào)筒與反號(hào)筒。
“聲聚能管”還能夠改善低頻響應(yīng)--質(zhì)量抗Xm丨一附加福射質(zhì)量Mr t —揚(yáng)聲器諧振頻率
fo丨；低頻聲波彈性抗Xe丨一“空氣彈簧”彈性系數(shù)Km丨一輻射阻Rr丨，使“低頻輻射更容易”。
[0024]“聲聚能管”實(shí)際上是一個(gè)“聲壓增益/壓限器” 一一小信號(hào)時(shí)可以補(bǔ)償聲壓，提升輻射聲功率(節(jié)能)；信號(hào)電平提高時(shí)，則能夠限制聲壓，降低能流密度(健康)一一可以雙向調(diào)節(jié)聲壓(蓄水池效應(yīng))。
[0025]“李代桃僵” 一一DXEp以“聲